北京4種綠化樹種樹干液流特性對比分析

李少寧 魯紹偉 趙云閣 陶雪瑩 趙娜 徐曉天

摘要 選取北京地區(qū)4種常見綠化樹種，利用TDP液流計測定其樹干液流，分析不同樹種液流特性差異，同時應(yīng)用Meter全自動氣象站對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測，探討外界環(huán)境因素對樹干液流的影響。結(jié)果表明：各樹種液流日變化呈雙峰或單峰曲線，晝夜變化規(guī)律明顯。啟動時間基本在6：00—7：00，且液流密度日均值大小排序為國槐[1.62×10 -3? cm3/（cm2·s）]>側(cè)柏[1.51×10 -3? cm3/（cm2·s）]>欒樹[0.80×10 -3? cm3/（cm2·s）]>油松[0.58×10 -3? cm3/（cm2·s）]，且各樹種夜間液流均為夏季小于秋季;各樹種的液流與不同層次土壤溫度相關(guān)性多為不顯著（P>0.05），與大氣溫度呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），而與大氣相對濕度則呈顯著（P<0.01）負(fù)相關(guān)，且液流變化與各環(huán)境因子均存在一定的時滯效應(yīng)。研究結(jié)果可為水資源管理以及城市綠地規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞 綠化樹種;液流密度;環(huán)境因子

中圖分類號 S718.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）20-0111-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.030

Comparative Analysis of Four Greening Tree SpeciesSap Flow Characteristics in Beijing

LI Shao-ning 1，2，LU Shao-wei 1，2，ZHAO Yun-ge 1，2 et al （1.Beijing Academy of Forestry and Pomology Sciences，Beijing 100093;2.Yanshan Forest Ecosystem Research Station of Beijing，Beijing 100093）

Abstract The study analyzed the differences of the sap flow characteristics for four common greening tree species to explore the influence of the external environment factors on the stem sap flow in Beijing，to measure its stem sap flow by using TDP sap flow meter.The daily variation of various tree species sap flow variation showed bimodal or unimodal curve.And they changed clearly day and night.The sap flow of tree species started about 6：00-7：00，and the sap flow density was Sophora japonica [1.62×10 -3? cm3/（cm2·s）]> Platyclodus orientalis [1.51×10 -3? cm3/（cm2·s）] >Koelreuteria paniculata [0.80×10 -3? cm3/（cm2·s）] >Pinus tabuliformis[0.58×10 -3? cm3/（cm2·s）]on a daily average basis.Tree species sap flow was in summer less than autumn during the night.And the sap flow was not significantly correlation with different levels，soil temperature （P>0.05），and was significantly positive correlation with atmospheric temperature（P<0.01），whereas was significantly negative correlation with atmospheric relative humidity（P<0.01）.The change of sap flow had a certain time lag effect with environmental factors.The result could provide data support for management of water resources and urban green space planning.

Key words Greening tree species;Sap flow density;Environmental factors〖HK〗

森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)水分循環(huán)和小氣候方面具有重要功能，其基礎(chǔ)之一是樹木個體對水分運轉(zhuǎn)的影響。樹木在發(fā)揮巨大生態(tài)效益的同時，維持自身生長發(fā)育需要消耗大量水分 [1]。估算林木蒸騰耗水量對于水資源合理利用、合理分配以及綠地配置具有積極的作用 [2]。在當(dāng)今水資源匱乏日益嚴(yán)重的大前提下，研究樹木耗水特性，從而篩選出抗旱、低耗水的樹種具有十分重要的意義。

由于樹干邊材液流速率及液流量是制約樹木蒸騰耗水的重要因素，因而對樹干液流進(jìn)行標(biāo)記并測定其流動速率就可以大致估算樹冠蒸騰耗水量 [3-5]。熱擴散技術(shù)可以對樹干液流連續(xù)自動監(jiān)測，時間分辨率高，對植物的正常生理活動影響小、野外操作方便 [6]，近年在研究林木耗水方面得以廣泛應(yīng)用 [7]。利用熱擴散技術(shù)測定林木蒸騰耗水的相關(guān)研究已較為成熟，但大多研究都只針對單一樹種進(jìn)行測定 [8-12]，不能很好地對比不同樹種耗水特性的差異。該研究選取北京地區(qū)4種常見園林綠化樹種，利用熱擴散法測定其液流特征，對比分析不同樹種耗水特性差異，探討樹干液流日變化特征及其影響因素，為合理選擇園林綠化樹種、建立合理的城市綠地灌溉制度以及提高城市綠地水分利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于北京市順義區(qū)高麗營鎮(zhèn)，屬于溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春季雨量少，蒸發(fā)量大。年均降水量568.9 mm，年內(nèi)的雨量分布極不均勻，7—9月降水占全年降水的60%～70%，土壤為砂土。光照時間較長，全年光照時間達(dá)2 769.3 h。風(fēng)向以北風(fēng)、西北風(fēng)為主，冬、春兩季風(fēng)多、風(fēng)速大。喬木主要包括油松、側(cè)柏、銀杏、國槐、刺槐、柳樹、楊樹、欒樹、蘋果、李子、桃等;草本主要包括附地菜、灰灰菜等。

1.2 樣木選擇 在樣地每木檢尺的基礎(chǔ)上，各樹種分別選擇3棵標(biāo)準(zhǔn)楊樹（生長狀況良好、環(huán)境一致、大小差別不大），應(yīng)用熱擴散式液流測定系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)測定，測定時間為2016年6—10月，各樹種具體情況見表1。

1.3 測定方法

樹干邊材液流速率用熱擴散式邊材液流探針TDP（thermal dissipation probe）測定。TDP探頭包括2個探針，將2個探針插入樹干，上方探針持續(xù)加熱，下方探針為環(huán)境探針，通過測量這2個固定距離的探針的溫度之差，用Granier等 [13]經(jīng)驗公式計算樹干液流密度：

Js=0.011 9×[（dTm-dT）/dT] 1.231（1）

式中，Js為液流密度[cm3/（cm2·s）];dTm為分析日24 h內(nèi)上下探針的最大溫度差（℃）;dT為某時刻瞬時溫差值（℃），即當(dāng)時測定的溫差值。

1.4 環(huán)境因子測定

試驗林內(nèi)設(shè)有Meter全自動氣象站，用于實時監(jiān)測空氣溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光合有效輻射、土壤溫濕度等因素，所有傳感器均與數(shù)據(jù)采集器相連，數(shù)據(jù)采集時間間隔為1 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠化樹種連日液流變化

4種綠化樹種液流日變化特征如圖1所示，在圖1a中，側(cè)柏和油松均為針葉樹，但其日變化特征明顯存在差異。其中，側(cè)柏呈雙峰型變化，2個峰值分別出現(xiàn)在08：00和14：30左右，10：00—11：00液流密度出現(xiàn)低谷值。而油松日變化呈單峰型，形似“拱橋”，高峰較為圓滑。由此可見，側(cè)柏液流呈現(xiàn)出明顯的“午休”現(xiàn)象，而油松液流卻沒有“午休”現(xiàn)象。說明側(cè)柏在中午出現(xiàn)高溫時，葉片氣孔開閉比油松易受到高溫脅迫。

在圖1b中，國槐和欒樹作為闊葉樹，其液流日變化較為相似，2個樹種液流均存在明顯的“午休”現(xiàn)象，但其日變化曲線與側(cè)柏的典型雙峰型具有一定差別。國槐和欒樹的日變化曲線在低谷后液流有所上升，之后保持相對平穩(wěn)的變化，無明顯高峰。

從啟動時間來看，側(cè)柏和油松的啟動時間較為相近，均在05：20左右，而國槐和欒樹則較晚，在06：10左右。這意味著針葉樹的啟動時間早于闊葉樹。

綜上所述，不同樹種液流日變化明顯不同，側(cè)柏呈雙峰型，油松呈單峰型，國槐和欒樹大致呈單峰，卻具有明顯的“午休”。但各樹種均具有明顯的晝夜節(jié)律變化，即白天液流密度高，晚上液流密度低，接近0。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生主要與外界環(huán)境中溫度和太陽輻射等熱因子有關(guān)，尤其是太陽輻射，當(dāng)太陽輻射增大，林木蒸騰效率加快，導(dǎo)致液流密度隨之增加，當(dāng)日落后，太陽輻射變?yōu)?，林木蒸騰因葉片氣孔的大量關(guān)閉，蒸騰效率驟然下降。

2.2 夜間液流在夏、秋季的變化

根據(jù)北京市當(dāng)年的氣候狀況，且結(jié)合各樹種的生長季情況，以降雨量最大的7月中旬代表夏季，以10月中旬代表秋季。如圖2所示，7月和10月夜間液流變化的規(guī)律為7月的18：00—21：00，各樹種液流變化幅度較大，介于0.02×10 -3～1.50×10 -3? cm3/（cm2·s）。進(jìn)入后半夜直到第2天05：00，液流密度較為平穩(wěn)，基本維持在同一水平，且密度極小。各樹種夜間液流的整體變化呈先下降后平穩(wěn)的趨勢;10月則是從18：00開始到第二天02：00，基本變化幅度較小，且液流密度較小，液流值介于0～ 0.4×10 -3? cm3/（cm2·s），在第2天02：30—03：00時液流密度開始出現(xiàn)較大波動，呈逐漸上升的趨勢，整體的變化剛好與7月相反，呈先平穩(wěn)再上升的趨勢。這說明各樹種在夏季和秋季夜間液流維持平穩(wěn)狀態(tài)的時間雖然相近，幾乎為9 h，但時間段不同，夏季進(jìn)入平穩(wěn)液流的時間較晚，而秋季則早于夏季2～3 h。

對比夏、秋季液流密度值發(fā)現(xiàn)，各樹種在夏季（7月）的夜間液流值要小于秋季（10月）。以油松為例，夏季液流密度為0.20×10 -3 cm3/（cm2·s），秋季則為0.51×10 -3? cm3/（cm2·s）。這是由于夜間液流尤其是觀察到的平穩(wěn)時段的液流主要是皮孔蒸騰和成熟葉片的角質(zhì)層蒸騰所生產(chǎn)的。說明夏季時樹木的皮孔蒸騰和成熟葉片角質(zhì)層蒸騰比秋季時較弱。對比夏、秋季各樹種夜間液流密度大小得到：夏季（7月）時，各樹種的夜間液流密度均值大小為國槐[0.43×10 -3? cm3/（cm2·s）]>側(cè)柏[0.43×10 -3? cm3/（cm2·s）]>欒樹[0.41×10 -3? cm3/（cm2·s）]>油松[0.23×10 -3? cm3/（cm2·s）];秋季（10月）時，各樹種夜間液流密度大小則為側(cè)柏[0.73×10 -3? cm3/（cm2·s）]>國槐[0.52×10 -3? cm3/（cm2·s）]>油松[0.50×10 -3? cm3/（cm2·s）]>欒樹 [0.41×10 -3? cm3/（cm2·s）]。

2.3 土壤溫度對樹干液流的影響

由于試驗經(jīng)過人工控制，土壤始終保持水分充足，故沒有對土壤濕度的影響進(jìn)行分析。圖3為不同層次土壤溫度的日變化情況，由圖可知，各層次土壤中0～10? cm（表層土壤）的土壤溫度日變化最為劇烈，介于 22～30 ℃，其次是>10～20 cm的土壤溫度變化，在22～25 ℃，其余層次土壤溫度變化幅度則明顯較小。這主要是因為表層土壤極易受到外界環(huán)境因素影響，所以相比深層次的土壤其變化較為劇烈。且對比各層次土壤溫度變化的轉(zhuǎn)折點，發(fā)現(xiàn)>0～ 10 cm 與其他各層存在明顯的時滯效應(yīng)。如>10～20 cm的土壤溫度高峰值時間為16：00，明顯比0～10 cm晚2 h。

由表2可以看出，各樹種與不同層次土壤溫度的相關(guān)性各不相同。其中，側(cè)柏液流與0～10 cm層的土壤溫度（表層土壤）和>40～60cm層的土壤溫度均無顯著相關(guān)性，但與>10～20 cm（Pearson系數(shù)為-0.290）和>20～40 cm（Pearson系數(shù)為 0.293）2個層次土壤溫度的相關(guān)性為顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）;油松和國槐的液流與各層次土壤溫度的關(guān)系與側(cè)柏相同，Pearson相關(guān)系數(shù)見表2;欒樹則與各層土壤溫度均無顯著相關(guān)。

由此可見，從不同層次土壤溫度角度比較，大部分樹種液流與0～10 cm（表層土壤）土壤溫度呈正相關(guān)，而與其他層次的土壤溫度均為負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性較為顯著（P<0.05）的基本為10～40 cm的土壤溫度。這是由于0～10 cm的土壤雖然容易受外界環(huán)境影響，但林木位于這部分土壤的部位多是樹木基部樹干，并不是樹木根系，而液流的產(chǎn)生則主要與樹木吸收和運輸水分有關(guān)，所以根系所處的位置會受到其周圍土壤溫度的影響，而試驗所種植的樹木根系則剛好位于10～ 40 cm，因此此處的土壤溫度比其他深度的土壤溫度更容易對樹木液流產(chǎn)生影響。

不同樹種的對比結(jié)果表明，側(cè)柏和油松2種針葉樹與土壤溫度相關(guān)性大于國槐和欒樹。這說明針葉樹的液流值比闊葉樹更易受到土壤溫度變化的影響。但整體上，在土壤水分飽和狀態(tài)下，土壤溫度對樹木液流的影響并不顯著（P>0.05）。

2.4 大氣溫度對各樹種液流密度的影響

大氣溫、濕度是環(huán)境中的2個重要組成因素，同時，對林木耗水也具有一定程度的影響。由于大氣中的溫度并不是固定不變的，而是隨著一天中時間的推移具有一定的變化規(guī)律，因此在試驗期隨機選取1 d（晴朗，天氣狀況穩(wěn)定）的大氣溫度和各樹種液流密度的數(shù)據(jù)（由于氣象數(shù)據(jù)采集頻率為1 h 1次，因此此處液流密度單位換算為h），得到各樹種液流密度與大氣溫度的日變化（圖4）。

各樹種液流在00：00—05：00的變化與大氣溫度變化存在明顯不同，即液流在00：00—05：00時基本呈一條直線，介于

0.40～3.10? cm3/（cm2·h），

而大氣溫度此時段的變化則是下降趨勢，由20.5 ℃下降至17.5 ℃。05：00以后液流開始啟動，在08：00—17：00處于一天中的最高水平，整體波動不大，而大氣溫度則是從08：00的23 ℃逐漸上升至15：00的 35 ℃，之后再從最高點（35 ℃）逐漸下降，

至21：00開始變化幅度減弱，甚至不變，維持在25 ℃左右。由此可見，液流變化并非完全與大氣溫度的變化相同，且液流變化與溫度變化存在明顯時滯差異。如油松變化與溫度變化極為相似，但油松在14：00達(dá)到最高值3.70 cm3/（cm2·h），之后開始逐漸下降，早于大氣溫度的15：00;國槐液流下降時間（14：00）早于大氣溫度 1 h;欒樹則是在07：00—18：00時液流較高，為4.83～ 6.60 cm3/（cm2·h），18：00以后開始下降，晚于大氣溫度3 h。

綜合各樹種的液流密度與大氣溫度變化，反映出各樹種液流密度變化與大氣溫度具有一定關(guān)系，但其變化規(guī)律并不完全相同。通過相關(guān)性分析得到：各樹種液流與大氣溫度均

呈極顯著（P<0.01）相關(guān)性，其中側(cè)柏、油松、國槐、欒樹的Preason系數(shù)依次為0.658、0.492、0.589和0.649，且大氣溫度對液流密度的影響未出現(xiàn)明顯的針、闊葉差異。

密度為因變量，大氣溫度為自變量），并對其進(jìn)行檢驗（表4），4種綠化樹種的液流密度與大氣溫度最優(yōu)擬合方程均為三次曲線方程。且由各樹種擬合后的決定系數(shù)R2可以看出，各樹種的液流密度與大氣溫度的擬合均不高，R2最高不超過0.6。

2.5 大氣相對濕度對各樹種液流密度的影響

由樹種液流密度與大氣相對濕度變化曲線可以看出（圖6），00：00— 05：00，大氣相對濕度呈上升趨勢，由84%逐漸上升到92%，而各樹種液流密度保持小幅度變化。如側(cè)柏介于0.02～ 0.30 cm3/（cm2·h），國槐介于0.08～0.67 cm3/（cm2·h），欒樹介于0.32～0.43 cm3/（cm2·h）。由此可見，此時段各樹種液流雖有所波動，但變化幅度較小，且沒有明顯的逐漸上升趨勢。從05：00—15：00大氣相對濕度開始呈持續(xù)下降的趨勢，由92%逐漸下降至最低點25%，此時，多數(shù)樹種液流則在 07：00～08：00達(dá)到較大值后，便不再有大幅度下降或上升趨勢。如欒樹保持在4.74～4.99 cm3/（cm2·h），只有油松在此時段的變化趨勢與大氣相對濕度相反，呈逐漸上升的趨勢，變化為1.20～3.70 cm3/（cm2·h）。同時，液流與大氣相對濕度同樣存在時滯性，如油松最高值的時間與大氣相對濕度最低值的時間相差1 h。

對各樹種的液流密度與大氣相對濕度進(jìn)行相關(guān)性分析表明（表5），液流密度與大氣相對濕度均呈顯著負(fù)相關(guān)。其中，刺槐和楊樹的顯著性尤其高，Pearson系數(shù)為0.8以上，且P=0.000<0.01。其余樹種的顯著性也分別在0.05水平和 0.01水平呈顯著相關(guān)。且大氣相對濕度對針葉樹和闊葉樹的響應(yīng)在相關(guān)性上沒有明顯區(qū)別。

由上述各樹種液流密度與大氣相對濕度的變化分析可知：①樹種液流密度與大氣相對濕度均具有顯著負(fù)相關(guān)性 （P<0.05）;②各樹種的液流密度與大氣相對濕度的變化存在著明顯的時滯現(xiàn)象，但滯后時間因樹種的不同而具有差異。這些均說明大氣相對濕度對樹種的液流密度變化具有一定程度的影響。

3 討論

3.1 不同樹種液流特性分析

樹干液流的變化規(guī)律是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果 [14]。各樹種自身生長特性的差異導(dǎo)致其液流密度有明顯差異，但樹木液流密度變化規(guī)律是基本一致的，均呈明顯晝夜變化，曲線多為單峰曲線，這與劉春鵬等 [15]、于紅博等 [16]研究得到的結(jié)論是一致的。夜間沒有光照，樹木蒸騰作用較弱，清晨隨著太陽的出現(xiàn)，樹木開始進(jìn)行光合、蒸騰等一系列生理活動，從而導(dǎo)致液流啟動，液流密度急劇上升。

從樹木液流變化的啟動時間對比來看，該研究中各樹種的啟動時間均表現(xiàn)為夏季早于秋季近1 h，這與徐利崗等 [17]的研究結(jié)果一致。這主要是因為夏季大氣溫度和太陽輻射相比秋季要高，使樹木葉片氣孔張開較早，光合和蒸騰隨之增強，造成此時的液流相對啟動較早。而典型天氣下，該研究中得到的結(jié)果為雨天的啟動時間晚于晴天和陰天。

液流密度的變化規(guī)律受到其自身生長特性和環(huán)境因子的雙重影響，環(huán)境因子對液流密度的影響是一種制約，某一時刻液流密度的高低與相應(yīng)的環(huán)境因子是不可分割的。因此，該研究針對外界環(huán)境因素（大氣溫、濕度和土壤溫度）對樹干液流的影響作出具體分析。

3.2 外界環(huán)境因素對樹干液流的影響

樹木液流和蒸騰耗水受諸多因素的影響。多數(shù)研究結(jié)果表明，環(huán)境因子（如溫度、濕度、太陽輻射以及風(fēng)速等）對其影響尤為顯著 [18-20]。該研究中，通過結(jié)合同步觀測的氣象數(shù)據(jù)和土壤因子的日動態(tài)變化，掌握各樹種液流規(guī)律與環(huán)境因子之間的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，土壤因子中的土壤溫度與樹木液流的變化相關(guān)性并非均顯著，多數(shù)樹種與土壤溫度呈不顯著相關(guān)（P>0.05），且相關(guān)性分析還反映出土壤溫度與樹木液流基本均呈負(fù)相關(guān)性。這說明土壤溫度雖不是樹木液流的主要影響因子，但依舊對其有一定的影響力。這一結(jié)果與徐軍亮等 [21]的研究結(jié)果相似。而土壤因子中的另一因子——土壤水分同樣與液流存在著密不可分的關(guān)系，但到底存在著怎樣的量化關(guān)系還需進(jìn)一步研究，這也是該研究的欠缺點。氣象因子雖是直接影響蒸騰作用的介質(zhì) [22]，但其對樹木液流的影響卻并非具有同步性。該研究結(jié)果顯示氣象因子中的大氣溫度和相對濕度因子均與各樹種液流變化存在顯著的時滯效應(yīng)，且因樹種不同，時滯效應(yīng)的差異時間明顯不同，這與王華等 [23]的研究結(jié)果相似。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是樹木水分傳輸過程中存在液流再分配的現(xiàn)象 [24]，而液流傳輸主要是通過邊材來進(jìn)行，所以不同樹木的邊材導(dǎo)水效率成為這種時滯效應(yīng)差異的主要原因。通過相關(guān)性分析得到，日尺度下，各樹種液流均與大氣溫度呈極顯著（P<0.01）正相關(guān)，而與大氣相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05，Pearson系數(shù)為負(fù)數(shù)），這與涂杰等 [25]得到的生長季內(nèi)液流與平均溫度呈顯著正相關(guān)，與濕度呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

各樹種液流密度的連日變化規(guī)律基本呈單峰或雙峰曲線，且單峰曲線因?qū)捳炔煌?，又分為拱形或“n”型;各樹種夜間液流在夏、秋季的差異為夏季夜間液流密度明顯小于秋季，且不同樹種夜間液流密度大小因季節(jié)不同明顯不同。其中，夏季夜間液流密度大小排序為國槐、側(cè)柏、欒樹、油松;秋季則為側(cè)柏、國槐、油松、欒樹。不同環(huán)境因子對液流的影響不同。其中，不同層次的土壤溫度與液流的相關(guān)性不顯著，大氣相對濕度與液流呈顯著負(fù)（P<0.05）相關(guān)，而大氣溫度與液流呈極顯著（P<0.01）正相關(guān)。

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